车载式集装箱检测系统舱内标定设计

摘 要：集装箱检测系统采用直线电子加速器产生的X射线作为检测介质，通过收集透过被检测物的射线信息进行成像。这种X射线包含多种能量光子成份，必须对X射线进行标定来校正其衰减规律，以提高成像的效果。单一电机驱动的多级、多物质标定结构应用在车载集装箱检测系统中。该结构可安装在电子直线加速器舱内，适合车载环境，控制简便。这种标定机构在该设备中已成为必不可少的部件。

关键词：集装箱检测；标定；X射线

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.19.004

0 引言

使用直线加速器作为射线源的集装箱检测系统，广泛应用于海关集装箱货物的检测。它的工作原理是，利用X射线扫描集装箱货物，通过探测器收集的X射线信息经过数据处理形成图像，海关人员通过图像判别集装箱内货物是否合法。这种集装箱检测系统已经被各国海关视为不可或缺的海关货物检测手段。

由于直线加速器产生的X射线不是单一能量，其衰减规律也是一个混合因数[1]。所以，需要通过对检测模拟物进行比对来校正射线衰减参数，以提高图像的准确程度，并提高图像质量。因此，需要做一套标定机构，自动进行这一校正过程。

目前，集装箱检测系统主要产品是车载式系统，其工作状态外观如图1a所示。被检测集装箱车辆停在检测场地，车载检测系统徐徐从被检车头沿直线行驶到车尾，系统就可以获得被检车辆整体内部信息图像，工作过程见图1a所示。

由于车底盘载重量和公路行驶要求限制，车载集装箱检测系统空间小、重量小。标定机构既要保证标定效果，更要的是要适合车载条件：小空间、小重量。它要布置在图1a所示车尾部的狭小空间内部，而在加速器内所在位置如图1b所示。

1 设计输入

注：标定材料，铁。

X射线标定装置要布置在直线加速器射线源（靶点）的正前方，根据被探测物质特性以及检测成像需要达到的效果，确定标定材料厚度参数。常用的标定机构确定使用十级不同厚度的标定物质，标定材料为铁。厚度参数见表1所示。

设计要求：在X射线下环境下，必须考虑辐射防护设计，确保使用环境安全，扫描区域不能有任何遮挡。

射线束呈薄片（2mm至3mm宽）扇形分布，束流轴线与水平面成15o仰角。为了尽量减小所占空间，如图1b所示，安装在直线加速器内部，内部空间不够，机构可以部分伸出加速器；标定物质延中轴线对称布置，对中轴线上下（±）5o部分探测器进行标定。

2 设计方案确定

原有的标定设计形式，如图2所示，台阶状排布标定块，将标定块连接成一体，在拖动机构的牵引下，标定块直线运动，按厚度顺序依次通过X射线区扫描，从而对X射线进行标定。

这种结构原理简单，一般在实验场地不受限制的情况下应用。但是标定块体积大，相应的重量也很大。加之十级的标定总行程很长，整个机构在车载条件下显得很笨重。

最新的标定设计采用了叠加厚度的方法。每一级厚度由原来的各级厚度变为相邻两极厚度之差。如图3所示，每次将一个标定厚度差的标定块推进扫描区。这样，标定物质总厚度即是最厚的标定块厚度，而延射线扇面垂直方向的位移只要大于X射线扇面分布区的厚度（2mm到3mm）就可以了。根据以上思路，机构采用逐级压下标定块，来达到对不同厚度待标定物质进行标定的效果。下面以其中一级标定为例，说明传动原理。扫描的扇形区域跨度比较大，如图4所示，为使机构避开X射线区，标定块连接在长杆上，长杆两端安装滚轮导向，标定块两侧装有复位弹簧，长杆上（弹簧对侧）装有下压滚轮（为了减小摩擦）。用于推进标定块的压板上下相对运动，压板端面是斜面结构。通过斜面把滚轮压下，标定块进入标定状态。与标定块连接的长杆比较长，为使标定块平稳压下，压板成对相向等速运动，复位弹簧、导向等元件也成对使用。

压板运动使用旋向相反但螺距相同的成对丝杆分别驱动。标定完成后，丝杆反转，压板退出。一对复位弹簧将标定块弹出，这样，就完成了一次标定所需的运动。

同理，如果第一块标定压下后继续运动，依次可以有更多的标定快被压下，标定厚度也逐级改变，如图5所示。 直至第十级压下，被标定厚度达到最高的140.7mm。电机反转退出，弹簧会将所有标定块复位，退出射线区域。

拖动滑块选择左右旋丝杆对接，以确保长杆被压下时不被卡住。

各标定块设有行程开关，检测标定块位置状态，并反馈给电机相应的控制信号。

3 讨论

3.1 多物质标定

随着技术的发展，目前集装箱检测系统使用的加速器系统采用可以多物质识别的双能检测系统，所以标定的材料也由单一物质铁发展到铁、铝、碳（石墨）、铅等多种物质。为此，必须优化标定块排布和压板结构，使机构能够有所需的功能又能满足现有的空间安装要求。

下面以铁、铝、碳（石墨）三种标定物质为例介绍标定块排布和压板结构。三种物质标定块厚度如表2，石墨和铝各两级，铁四级。为降低结构总宽度，把厚度小的铁穿插在其他标定物质之间，使得整体结构紧凑。每一种被标定物质被压下并进行标定后，压板将其放开，弹簧再将其复位，然后进行下一重物质的标定。所以标定压板后侧也留有斜面结构，用于隔开不同种物质的标定块，见图6。

3.2 支撑板受力分析

整个机构（包括电离辐射屏蔽）约重150kg，重心在加速器架之外，见图7a所示，且支撑板下方有其他车体结构。所以，支撑板是悬臂结构，受力情况如图7b，通过有限元分析计算，其应力分布如图7c所示，最大应力点1.7MPa，中碳结构钢可以满足强度要求。

4 成果

这套系统安装在加速器前方，已應用于多套车载集装箱检测系统，用户遍布世界各地。经过使用证明，设计是合理和可靠的。目前仅为车载集装箱检测系统配套的标定机构年产已超过百万元。图8所示利用装有舱内标定的集装箱检测系统扫描成像的一幅例图。标定材料由单一的铁增加到石墨、铝、铁、铅等各种密度的材料组合。对提升系统的图像质量起到了重要作用。此外，本结构单独申请专利两项[2-3]。

参考文献：

[1]Samy Hanna，RF linear Accelerators for Medical and Industrial Applications[M].Boston|London： Artech House，2012：137.

[2]刘耀红等.用于辐射成像系统的紧凑型校正与准直装置[P].中国：授权公告号，101571496.

[3]陈玉梅等.组合射线能量标定驱动装置和射线能量标定装置[P].中国：公开号，104483333.

作者简介：陈玉梅（1970-），北京人，工学硕士，高级工程师，研究方向：机械设计与直线电子加速器研制。